DNA-bundne nanopartikler danner omskiftelige tynde film på en flydende overflade

Forskere, der søger måder at konstruere samling af bittesmå partikler på kun milliarddeler af en meter, har opnået en ny første - dannelsen af ​​et enkelt lag nanopartikler på en flydende overflade, hvor lagets egenskaber let kan skiftes. At forstå samlingen af ​​sådanne nanostrukturerede tynde film kan føre til design af nye slags filtre eller membraner med et variabelt mekanisk respons til en lang række applikationer. Ud over, fordi forskerne brugte små syntetiske DNA -tråde til at holde nanopartiklerne sammen, undersøgelsen giver også indsigt i mekanismen for interaktioner mellem nanopartikler og DNA -molekyler nær en lipidmembran. Denne forståelse kunne informere om den nye brug af nanopartikler som vehikler til at levere gener på tværs af cellemembraner.

"Vores arbejde afslører, hvordan DNA-belagte nanopartikler interagerer og reorganiserer ved en lipidgrænseflade, og hvordan denne proces påvirker egenskaberne af en "tynd film" lavet af DNA-bundne nanopartikler, "sagde fysikeren Oleg Gang, der ledede undersøgelsen på Center for Functional Nanomaterials (CFN) ved U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory. Resultaterne vil blive offentliggjort i juni 11, 2014 trykt udgave af Journal of the American Chemical Society .

Ligesom molekylet, der bærer genetisk information i levende ting, de syntetiske DNA-tråde, der bruges som "lim" til at binde nanopartikler i denne undersøgelse, har en naturlig tendens til at parre sig, når baserne, der udgør trinene i det snoet stigeformede molekyle, matcher hinanden på en bestemt måde. Forskere ved Brookhaven har gjort stor brug af specificiteten af ​​denne attraktive kraft for at få nanopartikler belagt med enkelt syntetiske DNA-tråde til at parre og samle i en række tredimensionelle arkitekturer. Målet med denne undersøgelse var at se, om den samme tilgang kunne bruges til at opnå designs af todimensionale, enpartikeltykke film.

"Mange af de applikationer, vi forestiller os for nanopartikler, såsom optiske belægninger og fotovoltaiske og magnetiske lagerenheder, kræver plan geometri, "sagde Sunita Srivastava, en postdoktor ved Stony Brook University og hovedforfatter på papiret. Andre grupper af forskere har samlet sådanne planer af nanopartikler, flyder dem hovedsageligt på en flydende overflade, men disse enkeltlagsarrays har alle været statiske, forklarede hun. "Brug af DNA -linkermolekyler giver os en måde at kontrollere interaktionerne mellem nanopartiklerne."

Som beskrevet i avisen, forskerne demonstrerede deres evne til at opnå forskelligt strukturerede monolag, fra et viskøst væskelignende array til et mere tætvævet tværbundet elastisk net-og skifte mellem de forskellige tilstande-ved at variere styrken af ​​parringen mellem komplementære DNA-tråde og justere andre variabler, herunder den elektrostatiske ladning på den flydende forsamlingsoverflade og koncentrationen af ​​salt.

Når overfladen de brugte, et lipid, har en stærk positiv ladning det tiltrækker de negativt ladede DNA -tråde, der dækker nanopartiklerne. Den elektrostatiske tiltrækning og frastødning mellem de negativt ladede DNA -molekyler, der omgiver tilstødende nanopartikler, overvinder den attraktive kraft mellem komplementære DNA -baser. Som resultat, partiklerne danner et temmelig løst opbygget frit svævende viskøst monolag. Tilsætning af salt ændrer interaktionerne og overvinder frastødningen mellem lignende ladede DNA-tråde, gør det muligt for baseparene at matche og forbinde nanopartiklerne tættere sammen, først danner strenglignende arrays, og med mere salt, et mere solidt, men alligevel elastisk netlignende lag.

"Mekanismen for denne faseovergang er ikke indlysende, "sagde Gang." Det kan ikke forstås udelukkende fra afstødnings-tiltrækningsinteraktionerne. Ved hjælp af teori, vi afslører, at der er kollektive effekter af de fleksible DNA -kæder, der driver systemet i de særlige stater. Og det er kun muligt, når partikelstørrelserne og DNA-kædestørrelserne er sammenlignelige-i størrelsesordenen 20-50 nanometer, " han sagde.

Som en del af undersøgelsen, forskerne undersøgte de forskellige konfigurationer af nanopartiklerne oven på væskelaget ved hjælp af røntgenstråling ved Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS). De overførte også monolaget produceret ved hver saltkoncentration til en fast overflade, så de kunne visualisere det ved hjælp af elektronmikroskopi ved CFN.

"Oprettelse af disse partikelmonolag ved en flydende grænseflade er meget praktisk og effektiv, fordi partiklernes todimensionelle struktur er meget 'flydende' og let kan manipuleres-i modsætning til på et solidt substrat, hvor partiklerne let kan sætte sig fast på overfladen, "Gang sagde." Men i nogle applikationer, vi skal muligvis overføre det samlede lag til en sådan fast overflade. Ved at kombinere synkrotronspredning og billeddannelse med elektronmikroskopi kunne vi bekræfte, at overførslen kan udføres med minimal afbrydelse af monolaget. "

Monolagernes omskiftelige karakter kan være særlig attraktiv til applikationer såsom membraner, der bruges til rensning og separationer, eller at kontrollere transporten af ​​molekylære eller nanoskala-objekter gennem flydende grænseflader. For eksempel, sagde Gang, når partikler er forbundet, men bevæger sig frit ved grænsefladen, de kan tillade et objekt - et molekyle - at passere gennem grænsefladen. "Imidlertid, når vi fremkalder forbindelser mellem partikler til at danne et netlignende netværk, ethvert objekt større end netværkets maskestørrelse kan ikke trænge igennem denne meget tynde film. "

"I princippet, vi kan endda tænke på sådanne on-demand-regulerede netværk for at justere maskestørrelsen dynamisk. Fordi, af nanoskala størrelsesregime, vi kan forestille os at bruge sådanne membraner til filtrering af proteiner eller andre nanopartikler, " han sagde.

At forstå, hvordan syntetiske DNA-belagte nanopartikler interagerer med en lipidoverflade, kan også give indsigt i, hvordan sådanne partikler overtrukket med faktiske gener kan interagere med cellemembraner-som stort set består af lipider-og med hinanden i et lipidmiljø.

"Andre grupper har overvejet at bruge DNA-belagte nanopartikler til at detektere gener i celler, eller endda til at levere gener til celler til genterapi og sådanne fremgangsmåder, "sagde Gang." Vores undersøgelse er den første af sin art, der ser på de strukturelle aspekter af DNA-partikel/lipid-grænseflade direkte ved hjælp af røntgenspredning. Jeg mener, at denne tilgang har en betydelig værdi som en platform for mere detaljerede undersøgelser af realistiske systemer, der er vigtige for disse nye biomedicinske anvendelser af DNA-nanopartikelparringer, "Sagde banden.